气动调节阀失效分析及处理

郭钧霆 张潇宇 罗杨

福建福清核电有限公司 福建福清 350318

1 气动调节阀简介

气动调节阀是以压缩空气作为动力源，以气缸为执行器，4-20mA的电信号作为驱动信号，并借助于阀门定位器、转换器、电磁阀、保位阀等附件去驱动阀门，使阀门呈快开、线性或等百分流量等特性做调节动作。气动调节阀可以连续且精确地调节流量，因而常被用来控制调节介质的流量、压力和温度等，是核电厂保障机组稳定经济运行的重要的组成部分。

气动调节阀基本工作原理（如下图1）：气源经一个三通的接口分成三路，一路经减压过滤器减压后作为电气转换装置的供气气源；一路经减压过滤器减压后作为定位器的供气气源；一路经减压阀减压后作为放大器的供气气源。4-20mA的电信号经电气转换装置转化为气信号，再由定位器对阀门行程进行反馈调节输出一定的气压，最后通过放大器实现对执行机构的供气，从而达到控制阀门开度实现系统调节的作用[1]。

图1 工作原理

2 气动调节阀的失效分析及维修方法

生产现场中气动调节阀常见的主要失效形式分为：阀门拒动、阀门震荡、阀门泄露及设计选型偏差等。

2.1 阀门拒动的失效分析及维修方法

气动调节阀控制信号给出后阀门动作迟缓或阀门未动作即为阀门拒动，气动调节阀由压缩气体作为动力源，驱动阀杆阀芯动作最终确定阀门的状态，因此阀门未动作的根本原因分析时中最重要的一环就是检查是否有符合标准的气源进入执行机构内。

（2）无气源或者气源压力不足

无气源或者气源压力不足：阀门动力不足则会造成阀门无法动作或动作迟缓，原因判断及排查处理步骤如下：

①控制信号未传至电气转换器：检查控制信号接线是否松动，如松动则重新连接。

②仪控附件堵塞、损坏：将进气减压阀压力调低，依次拆卸减压阀、电气转换器、定位器、放大器下游接口并接入压力表，检查气体压力是否合格，逐步定位堵塞、损坏部件[2]。

（2）气源合格。有符合标准气源：执行机构若有合格气源进入而阀门拒动，则需要考虑气体泄漏或执行机构、阀体传动部分阻力较大的影响，原因判断及排查处理步骤如下：

①检查执行机构是否有气体泄漏，使用检漏液检查执行机构上下腔连接部位是否有泄漏，如有则按照标准力矩进行紧固，无效则解体更换膜片；检查排气口在阀门未动作时是否有气体，如有则解体检查更换膜片或O型圈；计算泄压时间，如泄压阀故障或堵塞会造成执行机构排气不及时从而使阀门动作迟缓。

②阀门全关后脱开联轴器，动作阀门观察执行机构推杆动作情况，若正常则为阀体故障，若不正常则为执行机构故障或BENCHSET设置不合理。

③气动执行机构阻力较大，在检修中常见的阻力主要发生在推杆与执行机构底部间隙处，推杆变形或毛刺均会造成推杆与执行机构直接接触产生较大的摩擦阻力使阀门拒动，推杆变形使用V形铁进行推杆矫保证弯曲度达标，毛刺则需要进行机加工修复或打磨处理，气缸式执行机构则需要考虑气缸装配歪斜及O型圈变形脱出的原因，需要阶梯进行O型圈跟换并重新装配气缸。

④阀体阻力较大，气动调节阀阀体阻力集中体现在填料处，在检修经常出现的阀杆变形及填料力矩过大均会导致填料摩擦力较大影响阀门正常动作，需要检查阀杆并跟换填料按照标准力矩进行紧固。

⑤BENCHSET较大或较小，会造成阀门开启或关闭时间较长或者行程达不到要求，需要脱开联轴器施加弹簧力上限稍大（正作用）/下限稍小（反作用）的气压，减小/增大至上限/下限观察阀门开始移动的气压，如偏大或偏下均需调整弹簧力调整螺母使气压达到上限/下限时阀门开始移动。

2.2 阀门震荡的失效分析及维修方法

阀门震荡是指阀门收到一定开度的控制信号但阀门实际却无法达到并稳定在理想开度，会造成系统参数无法保持稳定从而影响机组正常安全稳定运行。

造成阀门震荡的原因主要有以下几点：

（1）气源压力波动较大，如气源压力的波动范围已经无法达到的供气压力要求则会造成阀门执行机构气压无法调节至需要的压力，使阀门无法达到稳定的要求开度，此时需要调整气源管网压力保证气源压力在气动调节阀需要的范围内。

（2）定位器故障是最主要最常见的阀门震荡原因，而检修中发生最多的定位器参数不合适造成，对于控制区常用的机械式定位器需要对零点和线性进行调整，对于常规岛常用的智能定位器需要使用专用的通讯器进行定位器校验；除此之外，机械式定位器常见的故障还有反馈轴、凸轮、转轴臂松动脱落均造成反馈的气压无法正确稳定，从而造成定位器输出气压错误，影响阀门达到正确稳定的开度[3]。

（3）阀门阻力较大也会造成阀门震荡使阀门调节性能变差，具体参见（2）节。

2.3 阀门泄露的失效分析及维修方法

（1）阀门外漏。气动调节阀外漏主要发生在填料处，会造成带有放射性系统介质直接流出，增加环境剂量，填料密封失效造成外漏的主要原因有：

①填料使用未按设备生产设计维护要求进行定期更换，处于使用寿期末期或超过寿期造成填料密封失效，此时需要对填料进行更换处理，对于特殊的角行程气动调节阀可以将阀杆置于到密封状态临时进行降低泄漏处理。

②填料安装方式不当，力矩不足造成泄漏，对于福清核电常用的气动调节阀大多为带引漏环及底环上下双层填料设计，在安装时注意安装引漏环下部的填料后需要进行预压紧你，使压缩载荷为最终载荷的30%，然后再安装上层填料进行力矩紧固。其中填料压盖螺栓参考力矩可进行如下计算：

式中：D1-垫片起密封作用的内径，mm；D2-垫片起密封作用的外径，mm；M-填料密封比压，MPa；P-设计压力，MPa；d-螺栓名义直径，mm；K-螺母系数，对于润滑状况一般的螺栓，取K=0.2；n-螺栓数量。安全系数1.2-1.5，螺栓力矩为：1.2T-1.5T，单位N·M。

2017年1月9日福清1号机组发生的1号稳压器喷淋阀填料泄漏事件，造成一回路泄漏率大于200L/h，严重影响机组安全运行，后确定为填料长期未更换超过使用寿期造成；2016年福清3号机组发生稳压器喷淋阀填料泄漏，根据计算发现标准力矩为75-90N·M，经校核实际力矩不足，最后经热态紧固力矩最终消除泄漏缺陷。

（2）阀门内漏。气动调节阀内漏往往造成系统介质非预期的流向下游，造成下游或者上游系统调节参数（如压力、温度、流量等）改变，严重影响核电厂安全运行。造成阀门内漏的主要原因有两点：

阀门未关闭，处于微启状态；阀门未关闭的检查首先要从供气开始，判断供气压力是否达到标准，检查行程是否足够，如果行程不足可能的原因是由于BENCHSET设置过大或过小，需要重新调整BENCHST至标准值，推杆与阀杆间隙过小使阀门未达到全行程，需要增大联轴器间隙使阀门达到全行程。

密封面缺陷造成内漏；在运行阶段如果气动调节阀长期在小开度下运行，会造成密封面吹损、气蚀形成贯穿性缺陷造成介质泄露，密封面夹杂固体杂质也会使阀门无法关严甚至会造成密封面损伤，这些密封面损伤需要对密封面进行机加研磨修复。

判断阀门内漏原因是未关闭还是密封面损坏需要通过计算气动调节阀此时的Cv值得出阀门开度来判断，如计算得出的阀门开度极小则很大可能是密封面损坏或BENCHSET设置不合理造成，如开度较大则原因较大可能为行程不足造成阀门未全关。

在福清核电发生过不同机组的同一型号的阀门显示全关状态下不同原因的内漏情况，102大修后1RCV259VP阀门内漏引起1RPE001BA液位非预期上涨，引起轴封水流量变化，经过计算液位上涨速率得出阀门泄露量为600L/h，得出阀门Kv值及Cv值，根据图纸Cv值与开度对照曲线发现阀门实际开度约为2%，判断为阀门行程不足造成泄露，处理时根据阀门实际动作情况发现联轴器处推杆与阀杆间隙过小，通过检查行程调整间隙后阀门泄露情况消失；3RCV259VP阀门内漏引起一回路泄露增大了6L/h，经过计算阀门开度极小判断为密封面缺陷造成内漏。阀门泄漏量与阀门开度公式如下：

Cv=1.167Kv，单位gal/min；

式中：流量系数Kv指在5-40℃的水在100KPa下每小时流过阀门的立方米数，单位m3/h；流量系数Cv指40-60℉的水在1PSI（磅/平方英寸）的压降下，每分钟流过阀门的（美）加仑数，单位gal/min。

根据阀门Cv—TRAVE对照曲线可得出阀门理论开度。

2.4 设计选型偏差造成的失效

由于设计院给的设计参数（阀体的材质、填料的形式、调节阀的流开与流闭、流量特性的选择及使用时的开度等）与现场实际需求不符而出现故障。

若阀们经常在开度相对较低的情况下运行，可采用改变调节阀流量特性的方法增大阀门Cv值。如把快开特性改成直线特性、直线特性改成等百分比特性、等百分比特性改成双曲线特性，可以在调节阀流量不变的情况下增大阀门的开度，从而可以避免调节阀在小开度下工作，有效地防止调节阀振动。

调节阀流通能力Cv值选得过大，使得阀门经常在小开度下工作，介质对阀芯阀座的冲刷及流量特性均受很大影响，使调节阀振荡甚至引起密封面吹损。

在福清GCT125/127VL减温水旁路调节阀，设计未考虑阀后压腔无法快速建立的情况有调机风险的情况，造成阀门选型不当Cv值过小，最后通过改变阀笼流量特性增大Cv值解决了此问题。

3 气动调节阀的日常保养维护

为了降低调节阀出现故障的概率，日常对其进行的维护保养工作也尤为重要，针对以上气动调节阀易发生失效的原因，罗列出下面几项措施：

（1）定位器、减压阀定期排污（油、水），检查反馈杆是否松动与脱落并定期进行润滑保养。

（2）检查附件各压力表是否损坏，气源压力是否符合调节阀铭牌上的额定值。

（3）检查调节阀膜头是否漏气，气源管是否破裂、漏气，检查调节阀上下膜盖排气孔是否堵塞。

（4）检查调节阀的填料、中法兰是否有泄漏。

（5）检查进线口是否密封，各螺栓连接件部分是否锈蚀，是否需要防腐。

（6）检查调节阀的手轮是否处于自动位置，未处于自动位置的是否属于限位，是否有记录。

（7）定期对气动调节阀进行在线诊断，保证其各项性能良好。

（8）定期对气动调节阀进行解体检查，对膜片、填料等进行更换。

4 结语

做好调节阀日常巡检和维护保养工作，可大幅度提高调节阀使用的稳定性，当出现故障时，根据上述总结描述逐步进行原因分析、查找失效原因、制定解决方案等一系列工作，对气动调节阀维修来说具有重要借鉴意义，更是为核电机组稳定安全运行保驾护航。